CN115015174A - 石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和设备 - Google Patents

石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和设备，该制备方法，包括以下步骤：(1)小纤芯光纤的两端分别连接单模光纤制成光纤传感件；(2)将聚酰亚胺溶液涂于光纤传感件中部的小纤芯光纤，固化后形成聚酰亚胺涂层；(3)以激光器扫描聚酰亚胺涂层制成石墨烯层；(4)将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于石墨烯层，掺钯聚苯胺沉积于石墨烯层，即得到光纤氢气传感器，其中，所述掺钯聚苯胺粉末分散液是将掺钯聚苯胺粉末分散于无水乙醇得到的。该光纤氢气传感器的制作工艺简单可操作性强，激光诱导的石墨烯层为基底，能增加掺钯聚苯胺与氢气的反应点，且复合膜层的机械性能好。

Description

石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和设备
技术领域
本发明涉及氢气传感器技术领域，尤其涉及一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和设备。
背景技术
氢气是未来最重要的燃料来源之一，它具有高能效、清洁性、可持续性和丰富的可用性，因此氢气已用于许多工业部门，如航空航天火箭、汽车燃料电池、石油勘探、化学加工、焊接和发电。然而，氢气的扩散率高、点火能量低，并且氢气在空气中的浓度达到4％-75％的范围内点燃会发生爆炸。而在氢冷发电机中氢气的泄露会严重影响氢冷发动机的性能，漏氢是氢冷发电机运行中普遍存在的现象，漏氢量是氢冷发电机安全运行的主要技术指标之一。氢的大量泄漏会导致氢压下降，影响发电机冷却，限制发电机带负荷。严重漏氢可造成发电机周围着火，甚至引起氢气爆炸，造成发电机损坏以至机组停机。然而，在现有检测氢冷发电机氢气泄露的方法和装置中很难做到对氢气泄漏进行实时的检测。因此，快速、高灵敏度对氢气浓度进行检测和防止氢气泄漏在实际应用中尤为重要。
光纤传感器原理是根据氢气与沉积在光纤表面的敏感材料发生反应或者被吸附时，敏感材料的性质发生改变，在光学性能上体现为折射率和反射率的改变，使得光纤中的光波长和光强度发生变化。光纤以光信号作为传感介质，具有火花本质安全性、抗电磁干扰能力、耐腐蚀和遥感能力等优异性能。因此，光纤氢气传感器适用于易燃易爆、污染严重等复杂环境。
目前用于检测氢气浓度的光纤氢气传感器中，基本都是以钯、三氧化钨、铂和三氧化钨或者钯、铂和三氧化钨作为氢气传感的敏感材料，这几种氢敏感材料在检测氢气时都有着某些不足，例如：基于纯钯膜的氢气传感器很容易因钯膜的α-β相变而发生致命断裂；基于纯三氧化钨膜的氢气传感器与氢气的反应会放热从而影响传感器的灵敏度；基于铂和三氧化钨膜的氢气传感器虽然拥有良好的氢响应性，但是传感器仍然受到光学系统强度波动的影响；基于钯、铂和三氧化钨三者混合的氢气传感器的制作工艺复杂，精度要求高。
现有文献中，期刊《光子学报》中2010年10月第30卷12期文章《钯及其复合膜的光纤氢气传感特性研究》提出了一种将光纤包层侧面抛光成“D”形，用磁控溅射法在抛光表面镀上Pd和Pd/WO3氢敏膜制备倏逝场光纤氢传感器，该传感器具有复合局部放电特性，Pd/WO3薄膜具有良好的线性度和重复性。但是这种光纤氢气传感器在反复通入/放出气体若干次以后,会导致Pd膜的层错、起泡、脱落等缺陷，氢敏感膜的机械性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和氢气检测设备，该光纤氢气传感器的制作工艺简单可操作性强，激光诱导的石墨烯层为基底，能增加掺钯聚苯胺与氢气的反应点，且复合膜层的机械性能好。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)小纤芯光纤的两端分别连接单模光纤制成光纤传感件；
(2)将聚酰亚胺溶液涂于光纤传感件中部的小纤芯光纤，固化后形成聚酰亚胺涂层；
(3)以激光器扫描聚酰亚胺涂层制成石墨烯层；
(4)将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于石墨烯层，掺钯聚苯胺沉积于石墨烯层，即得到光纤氢气传感器，其中，所述掺钯聚苯胺粉末分散液是将掺钯聚苯胺粉末分散于无水乙醇得到的。
进一步的，所述步骤(4)中，所述掺钯聚苯胺粉末的制备方法为：
将聚苯胺粉末和氯化钯粉末加入到反应瓶中，分别将乙二醇和去离子水加入到反应瓶中；
将反应瓶置于冰水中，进行超声处理；
反应后的产物依次经过滤、洗涤和真空干燥后得到掺钯聚苯胺粉末。
进一步的，所述步骤(4)中，将光纤传感件安装于加热装置，对加热装置进行预热，预热至高于乙醇沸点后，将装有掺钯聚苯胺粉末分散液的滴涂装置放在所述加热装置上方，所述滴涂装置将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于所述光纤传感件上的石墨烯层。
进一步的，所述加热装置的加热基板上具有凹槽，所述光纤传感件固定于所述凹槽；
所述基板的上方设有滑轨，所述滴涂装置可滑动安装于所述滑轨，所述滴涂装置在沿所述滑轨移动的同时向所述光纤传感件上的石墨烯层滴涂掺钯聚苯胺粉末分散液；
当所述光纤传感件上的石墨烯层一面滴涂完成后，将所述光纤传感件的另一面朝上，继续滴涂所述掺钯聚苯胺粉末分散液；
所述小纤芯光纤表面的石墨烯层和掺钯聚苯胺的质量比1：3.5-4.5。
进一步的，所述步骤(1)中，先去除单模光纤表面的涂覆层，并使单模光纤形成平整的端面，以光纤熔接机将小纤芯光纤熔接于单模光纤的平整端面；之后，在小纤芯光纤的另一端熔接另一单模光纤，即得到所述光纤传感件。
进一步的，所述步骤(2)中，将涂覆有聚酰亚胺溶液的光纤传感件放入真空干燥箱，在抽真空完成后以下述的温度梯度进行加热固化：
在80℃下加热20分钟；
温度升高到120℃后加热30分钟；
温度升高到160℃进行加热30分钟；
温度升高到200℃加热10分钟；
最后在220℃的温度下加热20分钟。
进一步的，所述步骤(3)中，所述激光器的下方设置有可沿X轴和Y轴移动的位移平台，所述位移平台具有光纤固定夹具，所述激光器带有摄像机，所述激光器可沿Z轴移动；
激光器扫描混合薄膜前，将激光器与混合薄膜对准，对准方法如下：
将光纤传感件安装于光纤固定夹具，位移平台将所述光纤传感件的聚酰亚胺涂层移动至摄像机下方，摄像机沿Z轴移动完成对聚酰亚胺涂层的粗调焦；
之后，位移平台移动，使所述光纤传感件的轴心位于摄像机的正下方，完成微调焦；
调整摄像机沿Z轴向下移动实现离焦；
之后，位移平台将聚酰亚胺涂层移动至激光器的正下方，对聚酰亚胺涂层进行扫描。
进一步的，当所述光纤传感件的聚亚酰胺薄膜的一面被激光器扫描完成后，将所述光纤传感件未经激光扫描的一面朝上进行激光扫描。
进一步的，所述调整摄像机沿Z轴向下移动实现离焦的离焦量为3mm。
一种氢气检测设备，包括由上述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法所得的光纤氢气传感器；
该氢气检测设备还包括宽带光源和光谱仪，所述宽带光源与所述光纤氢气传感器的一单模光纤连接，所述光谱仪与所述光纤氢气传感器的另一单模光纤连接，所述光纤氢气传感器的小纤芯光纤位于氢气检测环境中。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的掺钯聚苯胺是一种用于氢气传感的新型复合材料，而以激光诱导石墨烯作为基底可以利用激光诱导石墨烯的比表面积大的优势，增加掺钯聚苯胺与氢气的接触面积，可以增加掺钯聚苯胺与氢气的反应点，丰富了光纤传感的氢气敏感材料和继承了传统光纤传感器的所具有的火花本质安全性、抗电磁干扰能力和遥感能力等优异性能，还能提高复合敏感薄膜强度，这种敏感材料可以直接用于检测氢气的浓度，增加光纤氢气传感敏感材料的种类和丰富传感材料之间的复合。
本发明的氢气检测设备可以将激光诱导石墨烯的掺钯聚苯胺复合薄膜的光纤氢气传感器用于氢冷发电机氢气的检测中，由于光纤传感器的尺寸的精细，光纤传感器可以直接放入氢冷发电机中，通过对光谱仪中波长的偏移量实现对氢气泄露进行实时的监测。
同时，该光纤氢气传感器的制作工艺简单可操作性强，激光诱导的石墨烯层为基底，能增加掺钯聚苯胺与氢气的反应点，且复合膜层的机械性能好。
附图说明
图1是本发明一个实施例的光纤传感件的切断和熔接示意图；
图2是本发明一个实施例的对聚酰亚胺涂层进行激光扫描的示意图；
图3是本发明一个实施例中将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于石墨烯层的示意图；
图4是本发明一个实施例的氢气检测设备应用于氢冷发电机的示意图；
其中，单模光纤1/4、小纤芯光纤2、光纤切割刀3、光纤传感件6、固定扣7/8、光纤固定夹具9、位移平台10、激光器11、滑块12/13/14、导轨15、箱体16、固定板17/18、微小凹槽19、滴管20/21/22。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供的一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)小纤芯光纤的两端分别连接单模光纤制成光纤传感件；
(2)将聚酰亚胺溶液涂于光纤传感件中部的小纤芯光纤，固化后形成聚酰亚胺涂层；
(3)以激光器扫描聚酰亚胺涂层制成石墨烯层；
(4)将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于石墨烯层，掺钯聚苯胺沉积于石墨烯层，即得到光纤氢气传感器，其中，掺钯聚苯胺粉末分散液是将掺钯聚苯胺粉末分散于无水乙醇得到的。
本发明的掺钯聚苯胺是一种用于氢气传感的新型复合材料，而以激光诱导石墨烯作为基底可以利用激光诱导石墨烯的比表面积大的优势，增加掺钯聚苯胺与氢气的接触面积和提高复合敏感薄膜强度，这种敏感材料可以直接用于检测氢气的浓度，增加光纤氢气传感敏感材料的种类和丰富传感材料之间的复合；同时，该光纤氢气传感器的制作工艺简单可操作性强，激光诱导的石墨烯层为基底，能增加掺钯聚苯胺与氢气的反应点，且复合膜层的机械性能好。
本发明的方法所得的光纤氢气传感器是一种马赫-曾德尔光纤氢气传感器，当该光纤氢气传感器所在环境发生氢气泄漏时，由于涂覆在小纤芯光纤上的激光诱导石墨烯的掺钯聚苯胺复合薄膜对氢气敏感，泄露的氢气会与该薄膜发生反应，其中氢气会与钯先发生反应，将氢气分子分解为两个氢原子，氢原子再与聚苯胺发生反应引起聚苯胺主链结构改变，导致聚苯胺膜的折射率发生变化，从而引起小纤芯光纤中传输的高阶模有效折射率变化，导致纤芯模和高阶模传输信号光产生相位差。
当氢气泄露使得环境中氢气的浓度发生变化时，聚苯胺主链结构会发生变化，使得掺钯聚苯胺包层的折射率随之改变，聚苯胺膜折射率随之使小纤芯光纤高阶模有效折射率改变，导致相应的相位变化，使干涉波谷随氢气泄露浓度的变化发生漂移，从而可实现氢气浓度的检测。
需要说明的是，本发明的方法中，以聚酰亚胺为原料激光诱导石墨烯层，酰亚胺会在激光扫描下转化为三维多孔的石墨烯，三维多孔的石墨烯具有比表面积大的优势。
以无水乙醇分散掺钯聚苯胺粉末，是为了在掺钯聚苯胺粉末分散液滴加于石墨烯后，无水乙醇蒸发，掺钯聚苯胺能在充分渗入三维多孔的石墨烯并牢固附着。
进一步的，步骤(4)中，掺钯聚苯胺粉末的制备方法为：
将聚苯胺粉末和氯化钯粉末加入到反应瓶中，分别将乙二醇和去离子水加入到反应瓶中；将反应瓶置于冰水中，进行超声处理；反应后的产物依次经过滤、洗涤和真空干燥后得到掺钯聚苯胺粉末。由此，钯元素能充分与聚苯胺混合均匀，提高氢气检测灵敏度。优选的，聚苯胺粉末和氯化钯粉末的质量比为1:1。
进一步的，步骤(4)中，将光纤传感件安装于加热装置，对加热装置进行预热，预热至高于乙醇沸点后，将装有掺钯聚苯胺粉末分散液的滴涂装置放在加热装置上方，滴涂装置将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于光纤传感件上的石墨烯层；小纤芯光纤表面的石墨烯层和掺钯聚苯胺的质量比1：3.5-4.5，在这个比例范围下可以很好的将掺钯聚苯胺沉积在比表面积大的石墨烯表面上，两者结合牢固。由于光纤传感件被加热的温度大于乙醇的沸点，当掺钯聚苯胺粉末分散液滴于光纤传感件上后能在短时间内固化，有利于掺钯聚苯胺粉末均匀的滴涂在石墨烯涂层小纤芯光纤上。
为了在小纤芯光纤上均匀滴涂掺钯聚苯胺粉末分散液，进一步的，加热装置的加热基板上具有凹槽，光纤传感件固定于凹槽；基板的上方设有滑轨，滴涂装置可滑动安装于滑轨，滴涂装置在沿滑轨移动的同时向光纤传感件上的石墨烯层滴涂掺钯聚苯胺粉末分散液，通过滑动滑块带动滴管移动使得在石墨烯涂层小纤芯光纤滴涂的更加均匀；当光纤传感件上的石墨烯层一面滴涂完成后，将光纤传感件的另一面朝上，继续滴涂掺钯聚苯胺粉末分散液。
需要说明的是，采用换面和滴涂的方式可以控制滴下来液滴的速度使得滴涂在每一面的小纤芯光纤上的掺钯聚苯胺都相对的均匀。需要说明的是，掺钯聚苯胺分散液在放置一段时间后会有一定的沉积而不是稳定分散的，若采用浸入的方式在石墨烯层附着掺钯聚苯胺可能会导致小纤芯光纤上掺钯聚苯胺的厚度会不够均匀。
具体的，滴涂装置包括有多根滴管，多根滴管同时向小纤芯光纤滴液，不仅可以提高滴涂的速度，也有利于掺钯聚苯胺均匀附着于石墨烯。可以理解的，可以改变滴管滴头的开口的大小来改变在光纤传感器上的滴涂速度，通过控制滑块的移动的速度和滴管液滴的速度来控制滴涂在石墨烯涂层小纤芯光纤的厚度。
进一步的，步骤(1)中，先去除单模光纤表面的涂覆层，并使单模光纤形成平整的端面，以光纤熔接机将小纤芯光纤熔接于单模光纤的平整端面；之后，在小纤芯光纤的另一端熔接另一单模光纤，即得到光纤传感件。可以理解的，小纤芯光纤和单模光纤两者的熔接端面都是平整的。优选的，小纤芯光纤的长度为3cm。
为了保证聚酰亚胺溶液能固化完全，进一步的，步骤(2)中，将涂覆有聚酰亚胺溶液的光纤传感件放入真空干燥箱，在抽真空完成后以下述的温度梯度进行加热固化：
在80℃下加热20分钟；
温度升高到120℃后加热30分钟；
温度升高到160℃进行加热30分钟；
温度升高到200℃加热10分钟；
最后在220℃的温度下加热20分钟。
进一步的，步骤(3)中，激光器的下方设置有可沿X轴和Y轴移动的位移平台，位移平台具有光纤固定夹具，激光器带有摄像机，激光器可沿Z轴移动；
激光器扫描混合薄膜前，将激光器与混合薄膜对准，对准方法如下：
将光纤传感件安装于光纤固定夹具，位移平台将光纤传感件的聚酰亚胺涂层移动至摄像机下方，摄像机沿Z轴移动完成对聚酰亚胺涂层的粗调焦；
之后，位移平台移动，使光纤传感件的轴心位于摄像机的正下方，完成微调焦；
调整摄像机沿Z轴向下移动实现离焦；
之后，位移平台将聚酰亚胺涂层移动至激光器的正下方，对聚酰亚胺涂层进行扫描。
上述步骤中，摄像机用于确定小纤芯光纤的精确位置，即确定聚酰亚胺涂层相对激光器的准确位置，使得激光可以准确扫描在聚酰亚胺涂层上。同时，通过设定离焦量对激光器和聚酰亚胺涂层在Z轴上的距离进行调整，保证激光能在聚酰亚胺涂层上的能量较为合适，若离焦量过大或过小会导致激光在聚酰亚胺涂层上的能量过于集中或过于分散，影响石墨烯的三维多孔结构。其中，摄像机为CCD摄像机。优选的，调整摄像机沿Z轴向下移动实现离焦的离焦量为3mm。
为了使聚酰亚胺涂层能完全的转为石墨烯涂层，当光纤传感件的聚亚酰胺薄膜的一面被激光器扫描完成后，将光纤传感件未经激光扫描的一面朝上进行激光扫描。这是因为激光在光纤的聚酰亚胺涂层上的扫描是从上往下的左右扫描并且扫描过程是需要一定的时间，若光纤转动起来可能会使聚酰亚胺涂层不能完全的转为石墨烯涂层。
本发明还提供一种氢气检测设备，包括由上述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法所得的光纤氢气传感器；
该氢气检测设备还包括宽带光源和光谱仪，宽带光源与光纤氢气传感器的一单模光纤连接，光谱仪与光纤氢气传感器的另一单模光纤连接，光纤氢气传感器的小纤芯光纤位于氢气检测环境中。
本发明的氢气检测设备可以将激光诱导石墨烯的掺钯聚苯胺复合薄膜的光纤氢气传感器用于氢冷发电机氢气的检测中，由于光纤传感器的尺寸的精细，光纤传感器可以直接放入氢冷发电机中，通过对光谱仪中波长的偏移量实现对氢气泄露进行实时的监测。
当氢冷发电机没有发生泄露时，经过光纤氢气传感器后，宽带光源的波长发生偏移；当氢冷发电机发生氢气泄露时，由于涂覆在小纤芯光纤上激光诱导石墨烯的掺钯聚苯胺复合薄膜对氢气敏感，泄露的氢气会与氢气传感器中复合薄膜发生反应，其中氢气会与钯先发生反应，将氢气分子分解为两个氢原子，氢原子再与聚苯胺发生反应引起聚苯胺主链结构改变，导致聚苯胺膜的折射率发生变化，从而引起小纤芯光纤中传输的高阶模有效折射率变化，导致纤芯模和高阶模传输信号光产生相位差。另外，当氢冷发电机发生泄露，使得氢气的浓度发生变化时，聚苯胺主链结构会发生变化，使得掺钯聚苯胺包层的折射率随之使小纤芯光纤高阶模有效折射率改变，导致相应的相位变化，使干涉波谷随氢冷发电机泄露浓度的变化发生漂移。
以下通过实施例进一步阐述本发明。
本实施的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法如下。
步骤(1)，参见图1，先刮去单模光纤1上的涂覆层，对刮去涂覆层的单模光纤1进行切割，得到单模光纤1平整的端面；使用光纤熔接机将单模光纤1和小纤芯光纤2熔接在一起；用光纤切割刀3在单模光纤1和小纤芯光纤2的熔接处往上3厘米处切断小纤芯光纤2；再将小纤芯光纤2与单模光纤4使用光纤熔接机熔接在一起。单模光纤1/4和小纤芯光纤2组成了光纤传感器的光纤传感部分。
在本实施例中，单模光纤1/4的外径为125微米，纤芯直径为8.2微米；所述小纤芯光纤2的外径为125微米，纤芯直径为6微米，长度为3厘米。
步骤(2)，取聚酰亚胺溶液均匀的涂在整体光纤中的小纤芯光纤2上，将带有聚酰亚胺涂层的光纤传感件放进真空干燥箱中，进行抽真空处理以达到消除气泡的影响；抽真空完成后，按温度梯度对带有聚酰亚胺涂层的光纤传感件加热；首先在80℃下加热20分钟，将温度升高到120℃后加热30分钟，再将温度升高到160℃进行加热30分钟，在此过程加热后，聚酰亚胺溶液还未完全干燥，还需要将温度升高到200℃加热10分钟，最后在220℃的温度下加热20分钟；在完整加热过程完成后，聚酰亚胺溶液彻底干燥成聚酰亚胺涂层。
步骤(3)，参照图2，激光器的下方设置有可沿X轴和Y轴移动的位移平台，位移平台具有光纤固定夹具，激光器带有摄像机，激光器可沿Z轴移动；
首先将光纤传感件6在光纤固定夹具的第一个固定扣7上固定，再将聚酰亚胺涂层光纤6拉直，确保光纤传感件6是保持平直的状态后扣紧第二个固定扣8，使得聚酰亚胺涂层光纤6完全固定在光纤固定夹具9上；将光纤固定夹具9放在激光器的位移平台10上，通过控制器来调节位移平台10往X轴和Y轴方向移动，使得固定在光纤固定夹具9上的光纤传感件6移动到CCD摄像头下；通过控制器控制CCD摄像机调整焦距，使得CCD摄像机沿着Z轴向下移动，当可以在控制器的显示屏上清晰的看到光纤时，完成粗调焦；再通过控制器控制位移装置10调整X轴和Y轴方向移动，使得光纤传感件6的轴心位于CCD摄像机的正下方，完成微调焦；当通过位移平台10和CCD摄像头所组成的三轴移动装置完成调焦后，调整CCD摄像头垂直于光纤传感件6的轴心往下3mm实现离焦；调整好光纤的调焦量和离焦量后，将移动光纤固定夹具9使光纤传感件6从CCD摄像头下移动到激光发生器11下，通过对控制器对激光器11发出打标的指令后，激光器11开始在聚酰亚胺涂层表面进行扫描，由于光热作用和光化学作用，使聚酰亚胺的化学结构发生变化，从而形成了具有大比表面积的三维多孔石墨烯；当光纤传感件6的一面被激光器11扫描完成后，打开光纤固定夹具9的两个固定扣，取下光纤传感件6，将另一面没有经过激光扫描的聚酰亚胺涂层朝上固定在光纤固定夹具10上，按照上述的步骤通过控制器控制CCD摄像头调焦和离焦，之后进行激光扫描其转化为三维多孔石墨烯涂层，即使得小纤芯光纤表面的聚酰亚胺涂层完全转化为石墨烯层。
步骤(4)，首先制备掺钯聚苯胺粉末，将块状的盐酸掺杂聚苯胺用研钵研磨成粉状，称取20g的聚苯胺粉末加入到反应瓶中，称取20g氯化钯加入到反应瓶中，量取50mL乙二醇加入到反应瓶中，量取50mL去离子水加入到反应瓶中；将整个反应体系(反应瓶)置于冰水中，将频率为20HZ且直径为1.29cm的超声波发生器钛合金探头插入反应体系中进行超声处理2.5小时；反应后的产物经过滤、洗涤、真空干燥24小时后得到30-35g掺钯聚苯胺粉末；上述的制备过程中经历了氧化还原反应将Pd2+还原成金属Pd，经金属钯掺杂后的聚苯胺吸氢量增大为原来的两倍；
取掺钯聚苯胺粉末与无水乙醇混合进行超声搅拌30分钟形成掺钯聚苯胺分散液；
参见图3，拧紧固定板17/18的螺栓将具有石墨烯层的光纤传感件的两端固定在基板上，其中，小纤芯光纤位于基板的微小凹槽19上，用于沉积掺钯聚苯胺材料；基板位于加热装置上，打开加热装置对光纤传感件进行预热，将温度上升到80℃后，将滴涂装置安装在箱体的顶部；
滴涂装置包括三支滴管，将掺钯聚苯胺粉末分散液分别装入三支滴管20/21/22中；将三支滴管分别挂在三块滑块12/13/14上；滑块12/13/14和导轨15形成滑动配合机构，滑块12/13/14可以在导轨15上移动；滑块12/13/14、导轨15、固定板17/18、滴管20/21/22和基板均组装于箱体16；将滴管20/21/22的管头处的活塞取下，掺钯聚苯胺分散液从三支滴管缓缓的滴在具有石墨烯层的小纤芯光纤上，当掺钯聚苯胺分散液的液滴滴在加热中的小纤芯光纤上时，由于80℃的温度让掺钯聚苯胺分散液液滴中的无水乙醇很快的蒸发掉，使得掺钯聚苯胺粉末均匀的分布在石墨烯层上；滴管20/21/22同时开始向小纤芯光纤滴液，加快滴涂速度，并且滴管20/21/22固定在滑块12/13/14上，可以通过滑动滑块12/13/14带动滴管20/21/22移动，使得滴涂的更加均匀以及通过控制滑块的移动的速度和滴管液滴的速度来控制滴涂在石墨烯层的掺钯聚苯胺厚度；当在石墨烯层的一面滴涂完成后，将固定板17/18上的螺栓拆下，将没滴涂的石墨烯层的另一面朝上固定在基板上，重复以上的过程，完成在石墨烯层滴涂，使得石墨烯层整体具有相同厚度掺钯聚苯胺粉末。
本实施例的方法制备而得的光纤氢气传感器应用于氢气检测设备，参见图4，该氢气检测设备还包括宽带光源23和光谱仪27，宽带光源23与光纤氢气传感器的一单模光纤连接，光谱仪与光纤氢气传感器的另一单模光纤连接，光纤氢气传感器25的小纤芯光纤位于可能存在氢气泄露的环境中。具体的，宽带光源23的输出波长范围为1200nm-1650nm，光谱仪30的工作波长覆盖范围为1200-1650。需要说明的是，带光源23和光谱仪27通过单模光纤连接光纤氢气传感器。本实施例的氢气检测设备可用于氢冷发电机26。
开启宽带光源23，宽带光源23产生信号光进入单模光纤传输到光纤氢气传感器25，然后信号光通过纤氢气传感器25所组成的单模光纤、小纤芯光纤和单模光纤传感器结构；光源经单模光纤进入，信号光经过单模光纤传输到第一个熔接点时，由于纤芯失配的原因，一部分光进入小芯径光纤的纤芯，另一部分进入小纤芯的包层，分别激发起小纤芯光纤的纤芯模和包层模。当光到达第二个熔接点时，小纤芯光纤的纤芯中的信号光传输到单模光纤的纤芯中，而小纤芯光纤包层的光分为两部分，一部分进入到小纤芯光纤的包层中，另一部分进入到单模光纤的纤芯中，而进入到单模光纤的纤芯中的信号光与小纤芯光纤的纤芯中进入单模光纤的纤芯的信号光发生相干干涉，干涉后经光路传递给光谱仪27。
根据本发明实施例的一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法和设备的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)小纤芯光纤的两端分别连接单模光纤制成光纤传感件；
(2)将聚酰亚胺溶液涂于光纤传感件中部的小纤芯光纤，固化后形成聚酰亚胺涂层；
(3)以激光器扫描聚酰亚胺涂层制成石墨烯层；
(4)将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于石墨烯层，掺钯聚苯胺沉积于石墨烯层，即得到光纤氢气传感器，其中，所述掺钯聚苯胺粉末分散液是将掺钯聚苯胺粉末分散于无水乙醇得到的。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述掺钯聚苯胺粉末的制备方法为：
将聚苯胺粉末和氯化钯粉末加入到反应瓶中，分别将乙二醇和去离子水加入到反应瓶中；
将反应瓶置于冰水中，进行超声处理；
反应后的产物依次经过滤、洗涤和真空干燥后得到掺钯聚苯胺粉末。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将光纤传感件安装于加热装置，对加热装置进行预热，预热至高于乙醇沸点后，将装有掺钯聚苯胺粉末分散液的滴涂装置放在所述加热装置上方，所述滴涂装置将掺钯聚苯胺粉末分散液滴于所述光纤传感件上的石墨烯层。
4.根据权利要求3所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述加热装置的加热基板上具有凹槽，所述光纤传感件固定于所述凹槽；
所述基板的上方设有滑轨，所述滴涂装置可滑动安装于所述滑轨，所述滴涂装置在沿所述滑轨移动的同时向所述光纤传感件上的石墨烯层滴涂掺钯聚苯胺粉末分散液；
当所述光纤传感件上的石墨烯层一面滴涂完成后，将所述光纤传感件的另一面朝上，继续滴涂所述掺钯聚苯胺粉末分散液；
所述小纤芯光纤表面的石墨烯层和掺钯聚苯胺的质量比1：3.5-4.5。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，先去除单模光纤表面的涂覆层，并使单模光纤形成平整的端面，以光纤熔接机将小纤芯光纤熔接于单模光纤的平整端面；之后，在小纤芯光纤的另一端熔接另一单模光纤，即得到所述光纤传感件。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将涂覆有聚酰亚胺溶液的光纤传感件放入真空干燥箱，在抽真空完成后以下述的温度梯度进行加热固化：
在80℃下加热20分钟；
温度升高到120℃后加热30分钟；
温度升高到160℃进行加热30分钟；
温度升高到200℃加热10分钟；
最后在220℃的温度下加热20分钟。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述激光器的下方设置有可沿X轴和Y轴移动的位移平台，所述位移平台具有光纤固定夹具，所述激光器带有摄像机，所述激光器可沿Z轴移动；
所述激光器扫描混合薄膜前，将所述激光器与所述混合薄膜对准，对准方法如下：
将所述光纤传感件安装于所述光纤固定夹具，所述位移平台将所述光纤传感件的聚酰亚胺涂层移动至摄像机下方，所述摄像机沿Z轴移动完成对聚酰亚胺涂层的粗调焦；
之后，所述位移平台移动，使所述光纤传感件的轴心位于所述摄像机的正下方，完成微调焦；
调整所述摄像机沿Z轴向下移动实现离焦；
之后，所述位移平台将聚酰亚胺涂层移动至所述激光器的正下方，对聚酰亚胺涂层进行扫描。
8.根据权利要求7所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，当所述光纤传感件的聚亚酰胺薄膜的一面被激光器扫描完成后，将所述光纤传感件未经激光扫描的一面朝上进行激光扫描。
9.根据权利要求7所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述调整摄像机沿Z轴向下移动实现离焦的离焦量为3mm。
10.一种氢气检测设备，其特征在于，包括由权利要求1-9任一项所述的石墨烯/掺钯聚苯胺的光纤氢气传感器的制备方法所得的光纤氢气传感器；
该氢气检测设备还包括宽带光源和光谱仪，所述宽带光源与所述光纤氢气传感器的一单模光纤连接，所述光谱仪与所述光纤氢气传感器的另一单模光纤连接，所述光纤氢气传感器的小纤芯光纤位于氢气检测环境中。
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